MATLAB软件在电力系统自动控制领域的应用

摘要：MATLAB是美国Math Works公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，其可移植性、可扩展性强，这就使MATLAB能够深入应用在电力系统自动控制领域。文章介绍了MATLAB软件的基本应用，指出MATLAB软件强大的功能使得其在电力设备控制系统的安装调试和维护管理上具有重大意义，然后对MATLAB如何对热电厂的自动控制系统性能指标和稳定性判别进行阐述。

关键词：MATLAB软件；电力系统；自动控制；时域分析；稳定性

中图分类号：TM762 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）32-0057-02

1 概述

MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国Math Works公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。这种语言可移植性、可扩展性非常强，这也使MATLAB能够深入应用在电力自动控制系统的仿真。

2 MATLAB软件在自动控制的电源系统的应用领域

电力系统主要由电力来源、电力配网和负荷中心组成，电力来源主要指的是各种类型的发电厂、水电站，主要是将其他能源转换成电能；电力配网则主要由升压变电站、传输线路、负载中心变电站和配电线路组成，电力系统运行就属于这些电力系统的组成结构，在系统运行中各司其职，能够很好地完成电力系统的运行情况，在电力系统运行过程中，由于电气负载的随机变化和各种外部因素（如雷击等）的干扰，就会大大影响电力系统的稳定性，从而导致系统电压不稳和频率波动，影响电力系统的安全运行，严重时则有可能引起电压崩溃或频率崩溃。因此电力系统运行是否正常，使之在各种运行状态之间的转换，就需要不同的电力设备控制系统来实现，但是由于电力设备控制系统的安装调试和维护管理上需要通过大量复杂的计算来定义性能指标，来确定控制系统的性能，运算非常复杂，就需要使用特定的软件进行运算。

2.1 系统建设前测试

大规模电力系统是现代社会空间、时间、协调要求高、物理系统非常复杂的层次划分系统。电力系统的建立不仅成本高昂，且耗时长，同时对国民经济的影响很大。因此，为了保障电力系统的稳定运行，就需要在电力系统运行前，进行电力系统的稳定测试，例如根据历史电力负荷数据和建设规划，就可以对电负荷增长趋势进行预测，进而针对性地进行电力系统的建设，在此基础上，通过科学的规划，进行电力系统的电网规划、网络互联规划和配电规划，这是一个非线性问题多约束整数变量，该方法需要使用系统的工程和先进的计算

技术。

2.2 电力系统运行前的测试

电力系统的稳定运行，就需要电力设备控制系统来实现自动平衡。因此，在电力系统中，为维持电力系统的稳定运行，就需要设置统一的电力控制系统。通过层次化调度系统的实施，分级控制。还可以进行电负荷预测、发电任务分发、稳定运行保障、运行方案调度等工作，同时，还可以进行全系统的安全监控和安全分析，在电力控制系统装机前，为了测试电力系统是否能够稳定运行，就需要在系统运行前做实验研究，进行运行测试，这就需要大量负责的运算工作。

2.3 MATLAB在电力控制系统的应用优势

2.3.1 可以对电力控制系统的性能进行快速的数值计算，在系统的安装调试和维护管理时，能够为用户节省出大量的时间，数据运算的效率高。

2.3.2 强大的图形处理功能，实现电力控制系统数据计算结果的可视化，更能够更加直观地反映电力控制系统的运行状态。

2.3.3 个性化交互用户界面，使电力控制系统的研究人员，在对电力系统进行测试或者其他运算的时候，易于掌握，方便运算。

2.3.4 软件本身自带的应用工具箱，能够在电力控制系统的性能指标等运算的时候，使得处理工具更加多元化，更加能够满足电力控制系统的使用。

3 系统性能指标的时域分析

在过去，在设计电力自动控制系统时，我们需要手动通过大量复杂的计算来定义的性能指标，来确定控制系统的性能，而使用MATLAB软件，则可以准确地响应曲线绘制出性能指标。

为确保热电厂的自动控制系统的安全运行，系统必须给出一个明确的性能指标，通常为以下性能指标：（1）峰值时间tp；（2）调节时间ts；（3）上升时间tr；（4）超调量Mp%。

例如：查找如下二阶系统的性能指标：

在MATLAB命令窗口中键入命令：

num=[3]；

den=[1 1.5 3]；

G=tf（num，den）；

grid on； %

step（G） %

通过上面的命令，得到单位阶跃响应曲线，就可以求解到如下性能指标：调节时间ts=4.84s；峰值时间tp =1.22s；上升时间tr=0.878s；超调量%=22.1%。

4 具有延迟环节的时域分析

在实际电力控制系统中，必须在设计的时候就考虑实际问题是否存在延迟现象，这直接影响到电力控制系统的质量控制，因此，在设计的时候要建立延迟数学

模型。

例：试仿真下述具有延迟环节多容水箱的数学模型的单位阶跃响应曲线：

方法：键入函数

pade（n，T）

num1=1；

den1=conv（[10，1]，[5，1]）；

g1=tf（num1，den1）；

[num2，den2]=pade（1，10）；g2=tf（num2，den2）；

g12=g1*g2；

step（g12）

5 稳定性判断的分析方法

控制系统的稳定性运行是至关重要的，在学习自动控制理论的时候，常用劳斯稳定判据来确定稳定性判据。但是对于高阶系统，这种计算方法很复杂。但是当我们使用MATLAB时，则可以大大减少计算量，且得到的数据更精确。

5.1 用root（G.den{1}）命令来进行稳定充要条件判断

例如：已知单位负反馈系统中的开环传函是：

来判断该系统的稳定性。

基于稳定性的充分必要条件的结果：闭环特征根的实部是在S平面的左半部分，则可以判断，该系统是稳定的。

5.2 通过绘制系统的根轨迹判别稳定性

在命令窗口键入命令：

G1=tf（[1 7 24 24]，[1 10 35 50 24]）；

rlocus（G1）就可以得到系统根轨迹图，因为4条根轨迹均在左半平面，所以系统是稳定的。

5.3 通过绘制系统的伯德图判别稳定性

在命令窗口键入命令得到系统的伯德图判别图形。

如果曲线所示的幅值裕度无穷大，则可以判断系统是稳定的。

MATLAB中可以通过上述三种方法来确定的稳定性，在电力控制系统稳定性上，可以看出判定结果是一

致的。

6 结语

本文介绍了MATLAB软件以及在电力设备控制系统的安装调试和维护管理上的应用，利用MATLAB软件可方便、快速地对热电厂的自动控制系统进行各种参数计算以及系统的稳定性判定，节省了大量的人工。MATLAB软件的应用可以为电力设备的自动控制系统仿真研究工作带来极大的便利。

参考文献

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[2] 杨庆柏，姜海龙，郭楠.MATLAB软件在热工自动控制系统仿真中的应用[J].东北电力技术，1999，（11）.

[3] 王彬彬.MATLAB软件在电气工程专业教学中的应用[J].中国电力教育，2009，（12）.

[4] 赵永艳，王文兰.MATLAB在电力系统自动控制领域中的应用[J].重庆科技学院学报（自然科学版），2009，（5）.

作者简介：张培磊（1989-），男，河南郑州工业应用技术学院学生，研究方向：电气工程及其自动化。